结构模型试验设计

结构模型试验设计

在工程实践和理沦研究中.结构试验的对象大多是实际结构的模型。对于工程结构中的构件或结构的某一局部，如梁、柱、板、墙，有可能进行足尺的结构试验。但对于整体结构，除进行结构现场静动载试验外，受设备能力和经济条件的限制，实验室条件下的结构试验大多为缩尺比例的结构模型试验。

结构模型试验是工程结构设计和理论研究的主要手段之一在结构设计规范中，对各种各样的结构分析方法做出了规定。例如，线弹性分析方法，考虑塑性内力重分布的方法，塑性极限分析方法，非线性分析方法和试验分析方法等。其中，试验分析方法在概念上与计算分析方法有较大的差别。试验分析方法通过结构试验(其中主要是结构模型试验)，得到体形复杂或受力状况特殊的结构或结构一部分的内力、变形、动力特性、破坏形态等，为结构设计或复核提供依据。应但指出，电子计算机的飞速发展，基于计算机的结构分析方法已经能够解决很多复杂的结构分析问题，但结构模型试验仍有不可替代的地位，并广泛应用于工程实践中。模型一般是指按比例制成的小物体，它与另一个通常是更大的物体在形状上精确的相似，模型的性能在一定程度可以代表或反映与它相似的更大物体的性能。

模型试验的理论基础是相似理论。仿照原型结构，按相似理论的基本原则制成的结构模型，它具有原型结构的全部或部分特征。通过试验，得到与模型的力学性能相关的测试数据根据相似理论，可由模型试验结果推断原型结构的性能。

对于结构模型试验,工程师和研究人员最关心的问题是结构模型试验结果在多大程度上能够反映原型结构的性能。而模型设计是结构模型试验的关键环节。

一般情况下，结构模型设计的程序为:

(1)分析试验目的和要求，选择模型基本类型。缩尺比例大的模型多为弹性模型，强度模型要求模型材料性能与原型材料性能较为接近。

(2)对研究对象进行理论分析，用分析方程法或量纲分析法得到相似判据。对于复杂结构，其力学性能常采用数值方法计算，很难得到解析的方程式，多采用量纲分析法确定相似判据。

（3）确定几何相似常数和结构模型主要部位尺寸。选择模型材料。

（4）根据相似条件确定各相似常数。

（5）分析相似误差，对相似常数进行必要的调整。

（6）根据相似第三定理分析相似模型的单值条件，在结构模型设计阶段，主要关注边界条件和荷载作用点等局部条件。相似理论是模型试验的基础。进行结构模型试验的目的是试图从模型试验的结果分析预测原型结构的性能，相似性要求将模型结构和原型结构联系起来。

（7）形成模型设计技术文件，包括结构模型施工图，测点布置图，加载装置图等。

加载图式的选择与设计

结构试验时的荷载作用应使结构处于某一种实际可能的最不利工作状态。试验时，荷载的图式要与结构设计计算的荷载图式一样，结构的工作和其实际情况才最为接近。有时，也常由于一些原因而采用不同于设计计算所规定的荷载图式，对这些情况应注意。如试验时采用某种更接近于结构实际受力情况的荷载布置方式。或采用等效荷载的方式来改变原来的加载图式。采用等效荷载试验时，必须全面验算由于荷载图式改变对结构产生的各种影响。必要时，应对结构构件作局部加强，或对某些参数进行修正。当构件满足强度等效而整体变形条件不等效时，则需对所测变形进行修正。当取弯矩等效时，尚需验算剪力对构件的影响。同时要求采用等效荷载的试验结果所产生的误差控制在试验允许的范围以内。

试验加载装置的设计

为保证试验工作的正常进行，对于试验加载用的设备装置，也必须进行专门的设计。在使用实验室内现有的设备装置时，也要按每项试验的要求对装置的强度刚度进行复核计算。

对于加载装置的强度，首先要满足试验最大荷载量的要求，保证有足够的安全储备，同时要考虑到结构受载后有可能使局部构件的强度有所提高。试验加载装置在满足强度要求的同时，还必须考虑刚度的要求，在结构试验时，如果加载装置刚度不足时，将难以获得试件极限荷载下的性能。

试验加载装置设计还要求使它能符合结构构件的受力条件，要求能模拟结构构件的边界条件和变形条件，否则就失去了受力的真实性。在加载装置中还必须注意试件的支承方式。试验加载装置除了在设计上要满足一系列要求外，应尽可能使其构造简单，组装时花费时间少，特别是当要做同类型试件的连续试验时，还应考虑能方便试件的安装，并缩短其安装同调整的时间。要掌握结构试验时构件空间就位形式的不同和特点。

结构模型试验的加载制度

试验加载制度是指结构试验进行期间控制荷载与加载时间的关系。它包括加载速度的快慢、加载时间间歇的长短、分级荷载的大小和加载、卸载循环的次数等。结构构件的承载能力和变形性质与其所受荷载作用的时间特征有关。对于不同性质的试验，必须根据试验的要求制订不同的加载制度。

合理选择均布荷载或集中荷载的加载图式，数量及作用位置布置。也可以根据试验的目的要求，采用与计算简图等效的荷载图式。

荷载种类和加载图式确定以后，还应按一定程序加载。加载程序可以有多种，根据试验目的要求的不同而选择，一般结构静载试验的加载程序均分为预载、标准荷载（正常使用荷载）、破坏荷载三个阶段。理解分级加载的目的和方法。

正确了解并掌握模型材料的物理性能及其对模型试验结果的影响，合理地选用摸型材料是结构模型试验的关键之一。一般而言，模型材料可以分为三类，一类是与原型结构材料完全相同的材料，例如，采用刚才制作的钢结构强度模型。另一类模型材料与原型结构材料不

同，但性能较接近，例如，采用微粒混凝土制作的钢筋混凝土结构强度模型。还有一类模型材料与原型结构材料完全不同，主要用于结构弹性反应的模型试验。

模型材料选择应考虑以下几方面的要求：

（1）根据模型试验的目的选择模型材料。

（2）模型结构材料满足相似要求。

（3）模型材料性能稳定且具有良好的加工性能。

（4）满足必要的测量精度。

结构模型的制作主要包括两个方面，一方面是如上所述材料的选择和配制，另一方面就是模型的加工。模型加工应满足以下要求:

（1）严格控制模型制作误差。

（2）保证模型材料性能分布均匀。

（3）模型的安装和加载部位的连接满足试验要求。

模型试验和原型试验的基本原理是相同的。但模型试验有自身的特点，由于试验对象在局部缩小，但整个试验的规模和难度却不一定缩小。在模型试验中应注意以下问题: （1）较大尺寸或原型结构试验前，结构材料性能试验可以采用标准的试验方法。

（2）模型结构试验对试验环境有更高的要求。

（3）由于模型尺寸缩小，对测试仪器和加载设备有更高的精度要求。

（4）由于尺寸缩小，模型结构及构件的刚度和强度都远小于原型结构。

实验的观测

在确定试验的观测项目时，首先应该考虑反映结构整体工作和全貌的整体变形，通过对某些指标的测量结果深入分析，掌握整个结构工作状态和物理性能变化。对于某些试验，反映结构局部工作状况的局部变形也是很重要的，可以用来推断结构强度等重要指标。

要注意测点的选择与布置的基本原则，保证测点的适合数量和可靠性，校核性。

注意仪器的选择与测读的原则，遵循仪器的精度要求，测试结果的范围限制，以及现场具体情况和方便操作，以及仪表本身的特性与试验要求的吻合等。

仪器仪表的测读应按一定的程序进行，具体的测定方法与试验方案、加载程序有密切的关系。在拟定加载方案时，要充分考虑观测工作的方便与可能，反之，确定测点布置和考虑测读程序时，也可根据试验方案所提供的客观条件，密切结合加载程序加以确定。

由于结构构件的变形、特别是混凝土构件的变形在一定程度上与荷载持续时间有关，因此，在结构静力试验中，量测变形在时间上应有一个统一的规定，这样，量测的结果才具有可比性。同样，在结构动力试验时，也必须严格控制仪表测读时间。

在试验中，对于重要的控制测点的读数，应边做记录，边做整理，与预计理论值进行比较，以利于发现问题并及时纠正。

试验安全性考虑